Pochopte, ako vodná elektráreň premieňa vodnú energiu na elektrinu, jej výhody a nevýhody

Obrázok: Dam Itaipu, Paraguay / Brazília organizáciou International Hydropower Association (IHA) má licenciu podľa CC BY 2.0

Čo je to hydraulická (hydroelektrická) energia?

Hydroelektrická energia je použitie kinetickej energie obsiahnutej v toku vodných útvarov. Kinetická energia podporuje rotáciu lopatiek turbín, ktoré tvoria systém hydroelektrárne, aby ich neskôr generátor systému transformoval na elektrickú energiu.

Čo je to vodná elektráreň (alebo vodná elektráreň)?

Vodná elektráreň je súbor prác a zariadení používaných na výrobu elektrickej energie z využitia hydraulického potenciálu rieky. Hydraulický potenciál je daný hydraulickým prietokom a koncentráciou nerovností pozdĺž toku rieky. Nerovnosti môžu byť prírodné (vodopády) alebo vybudované vo forme priehrad alebo prevedením rieky z jej prirodzeného koryta do vodných nádrží. Existujú dva typy nádrží: akumulačné a nábrežné nádrže. Akumulačné usadeniny sa zvyčajne tvoria pri horných tokoch riek, na miestach, ktoré sa vyskytujú pri vysokých vodopádoch, a pozostávajú z veľkých nádrží s veľkou akumuláciou vody. Vodné nádrže na rieke využívajú rýchlosť vody v rieke na výrobu elektriny, čím vytvárajú minimálnu alebo žiadnu akumuláciu vody.

Závody sú zasa klasifikované podľa nasledujúcich faktorov: výška vodopádu, prietok, inštalovaný výkon alebo výkon, typ použitej turbíny v systéme, priehrada a nádrž. Stavenisko udáva výšku pádu a prietok a tieto dva faktory určujú inštalovaný výkon alebo výkon vodnej elektrárne. Inštalovaný výkon určuje typ turbíny, priehrady a nádrže.

Podľa správy Národnej agentúry pre elektrickú energiu (Aneel) definuje Národné referenčné centrum pre malé vodné elektrárne (Cerpch z Federálnej univerzity v Itajubá - Unifei) výšku vodopádu ako nízku (do 15 metrov), strednú ( 15 až 150 metrov) a vysoké (viac ako 150 metrov). Tieto opatrenia však nie sú konsenzuálne. Veľkosť zariadenia tiež určuje veľkosť distribučnej siete, ktorá bude odoberať vyrobenú elektrinu spotrebiteľom. Čím väčšia je rastlina, tým väčšia je tendencia byť ďaleko od mestských centier. To si vyžaduje výstavbu veľkých prenosových vedení, ktoré často križujú štáty a spôsobujú energetické straty.

Ako funguje vodná elektráreň?

Na výrobu vodnej energie je potrebné integrovať prietok rieky, rozdiel v teréne (prírodnom alebo nie) a množstvo dostupnej vody.

Systém vodnej elektrárne pozostáva z:

Priehrada

Účelom priehrady je prerušiť prirodzený cyklus rieky a vytvoriť vodnú nádrž. Priehrada má okrem zadržiavania vody aj ďalšie funkcie, napríklad vytváranie vodnej medzery, zachytávanie vody v dostatočnom množstve na výrobu energie a reguláciu toku riek v období dažďov a sucha.

Systém prívodu vody (addukcie)

Skladá sa z tunelov, kanálov a kovových potrubí, ktoré odvádzajú vodu do elektrárne.

Powerhouse

V tejto časti systému sú turbíny spojené s generátorom. Pohyb turbín prevádza kinetickú energiu pohybu vody na elektrickú prostredníctvom generátorov.

Existuje niekoľko typov turbín, z ktorých hlavné sú pelton, kaplan, francis a žiarovka. Najvhodnejšia turbína pre každú vodnú elektráreň závisí od výšky a prietoku. Príklad: žiarovka sa používa v závodoch na mlyny, pretože nevyžaduje existenciu zásobníkov a je určená na nízke pády a vysoké prietoky.

Únikový kanál

Po prechode turbínami sa voda vracia únikovým kanálom do prirodzeného koryta rieky.

Únikový kanál sa nachádza medzi elektrárňou a riekou a jej veľkosť závisí od veľkosti elektrárne a rieky.

Prepad

Prepad umožňuje úniku vody vždy, keď hladina nádrže prekročí odporúčané limity. Spravidla sa to vyskytuje v období dažďov.

Prepad sa otvorí, keď je narušená výroba elektriny, pretože hladina vody je nad ideálnou úrovňou; alebo zabrániť pretečeniu a následnému zaplaveniu rastlín, čo je možné vo veľmi daždivých obdobiach.

Sociálno-environmentálne vplyvy spôsobené implantáciou vodných elektrární

Prvá vodná elektráreň bola postavená na konci 19. storočia na úpätí Niagarských vodopádov medzi USA a Kanadou, keď bolo hlavným palivom uhlie a ropa ešte nebola široko používaná. Predtým sa hydraulická energia využívala iba ako mechanická energia.

Napriek tomu, že je vodná energia obnoviteľným zdrojom energie, Aneelova správa poukazuje na to, že jej účasť na svetovej elektrickej matici je malá a stáva sa ešte menšou. Rastúci nezáujem by bol dôsledkom negatívnych externalít vyplývajúcich z realizácie projektov tohto rozsahu.

Negatívnym dopadom realizácie veľkých hydroelektrických projektov je zmena spôsobu života populácií, ktoré sa zdržiavajú v regióne alebo v okolí miesta, kde bude rastlina implantovaná. Je tiež dôležité zdôrazniť, že týmito komunitami sú často ľudské skupiny identifikované ako tradičné populácie (pôvodné obyvateľstvo, quilomboly, amazonské spoločenstvá pri rieke a ďalšie), ktorých prežitie závisí od využitia zdrojov z miesta, kde žijú, a ktoré majú väzby na dané územie kultúrny poriadok.

Je vodná energia čistá?

Aj keď je veľa ľudí považovaných za zdroj „čistej“ energie, pretože nie je spojená so spaľovaním fosílnych palív, výroba vodnej energie prispieva k emisiám oxidu uhličitého a metánu, dvoch plynov, ktoré potenciálne spôsobujú globálne otepľovanie.

Emisia oxidu uhličitého (CO2) je spôsobená rozkladom stromov, ktoré zostávajú nad vodnou hladinou zásobníkov, a k uvoľňovaniu metánu (CH4) dochádza rozkladom organických látok nachádzajúcich sa na dne nádrže. So zvyšujúcim sa vodným stĺpcom sa zvyšuje aj koncentrácia metánu (CH4). Keď voda dosiahne turbíny elektrárne, rozdiel v tlaku spôsobí uvoľnenie metánu do atmosféry. Metán sa tiež uvoľňuje do vodnej cesty prepadom rastliny, keď sa okrem zmeny tlaku a teploty voda rozprašuje po kvapkách.

CO2 sa uvoľňuje rozkladom odumretých stromov nad vodou. Na rozdiel od metánu sa za nárazovú považuje iba časť emitovaného CO2, pretože veľká časť CO2 sa eliminuje absorpciami, ktoré sa vyskytujú v zásobníku. Pretože metán nie je zabudovaný do fotosyntetických procesov (aj keď sa môže pomaly transformovať na oxid uhličitý), považuje sa v tomto prípade za vplyv na skleníkový efekt.

Projekt Balcar (emisie skleníkových plynov v zásobníkoch vodných elektrární) bol vytvorený s cieľom preskúmať príspevok umelých zásobníkov k zosilneniu skleníkového efektu prostredníctvom emisie oxidu uhličitého a metánu. Prvé štúdie projektu sa uskutočnili v 90. rokoch v nádržiach v oblasti Amazonky: Balbina, Tucuruí a Samuel. Región Amazonky bol zameraný na štúdiu, pretože sa vyznačuje masívnym vegetačným pokryvom, a teda väčším potenciálom pre emisie plynov rozkladom organickej hmoty. Na konci 90. rokov sa do projektu zapojili aj Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo a Barra Bonita.

Podľa článku, ktorý Dr. Philip M. Fearnside z Amazonského výskumného ústavu publikoval o emisiách plynov v závode v Tucuruí, sa v roku 1990 emisie skleníkových plynov (CO2 a CH4) v elektrárni pohybovali medzi Toho roku 7 miliónov a 10 miliónov ton. Autor porovnáva s mestom São Paulo, ktoré v tom istom roku emitovalo 53 miliónov ton CO2 z fosílnych palív. Inými slovami, iba Tucuruí by bol zodpovedný za emisiu zodpovedajúcu 13 až 18% emisií skleníkových plynov v meste São Paulo, čo je významná hodnota pre zdroj energie, ktorý sa dlhodobo považuje za „bezemisný“. Verilo sa, že časom dôjde k úplnému rozkladu organických látok a v dôsledku toho prestane tieto plyny vylučovať. Avšakštúdie skupiny Balcar preukázali, že proces výroby plynu je podporovaný príchodom nových organických materiálov privádzaných riekami a dažďami.

Strata rastlinných a živočíšnych druhov

Najmä v oblasti Amazonky s vysokou biodiverzitou dochádza k nevyhnutnému odumieraniu organizmov z flóry miesta, kde sa nádrž vytvára. Pokiaľ ide o zvieratá, aj keď sa dôkladne naplánuje pokus o odstránenie organizmov, nie je možné zaručiť, že budú zachránené všetky organizmy, ktoré tvoria ekosystém. Priehrada navyše ukladá zmeny v okolitých biotopoch.

Strata pôdy

Pôda v zaplavenej oblasti sa stane nepoužiteľnou na iné účely. Toto sa stáva ústredným problémom, najmä v prevažne rovinatých regiónoch, ako je napríklad samotný región Amazonky. Pretože sila zariadenia je daná vzťahom medzi tokom rieky a nerovnosťou terénu, musí byť v prípade, že terén má malé nerovnosti, uskladnené väčšie množstvo vody, čo znamená rozsiahlu vodnú plochu.

Zmeny v hydraulickej geometrii rieky

Rieky majú tendenciu mať dynamickú rovnováhu medzi prietokom, priemernou rýchlosťou vody, zaťažením sedimentov a morfológiou koryta. Stavba nádrží ovplyvňuje túto rovnováhu a následne spôsobuje zmeny hydrologického a sedimentárneho poriadku nielen v mieste priehrady, ale aj v jej okolí a v koryte pod priehradou.

Nominálna kapacita x skutočné vyrobené množstvo

Ďalším problémom, ktorý treba nastoliť, je rozdiel medzi nominálnym inštalovaným výkonom a skutočným množstvom elektrickej energie vyrobenej v zariadení. Množstvo vyrobenej energie závisí od prietoku rieky.

Je teda zbytočné inštalovať systém s potenciálom vyprodukovať viac energie, ako môže poskytnúť tok rieky, ako sa to stalo v prípade vodnej elektrárne Balbina inštalovanej na rieke Uatumã.

Pevná sila zariadenia

Ďalším dôležitým bodom, ktorý je potrebné vziať do úvahy, je koncept pevnej sily zariadenia. Podľa Aneela je pevná sila elektrárne maximálna nepretržitá výroba energie, ktorú je možné získať, ak vezmeme do úvahy najsuchšiu postupnosť zaznamenanú v histórii toku rieky, v ktorej je nainštalovaná ako základňa. Táto otázka má tendenciu byť čoraz ústrednejšia z hľadiska čoraz častejšieho obdobia sucha.

Hydroelektrická energia v Brazílii

Brazília je krajina, ktorá má najväčší hydroelektrický potenciál na svete. Takže 70% z neho je koncentrovaných v povodiach Amazoniek a Tocantins / Araguaia. Prvá veľká brazílska vodná elektráreň, ktorá sa mala postaviť, bolo Paulo Afonso I v roku 1949 v Bahii s výkonom ekvivalentným 180 MW. V súčasnosti je Paulo Afonso I súčasťou hydroelektrického komplexu Paulo Afonso, ktorý obsahuje celkom štyri elektrárne.

Balbina

Vodná elektráreň Balbina bola postavená na rieke Uatumã v Amazonase. Spoločnosť Balbina bola postavená na uspokojenie dopytu po energii spoločnosti Manaus. Predpovedala sa inštalácia výkonu 250 MW prostredníctvom piatich generátorov s výkonmi po 50 MW. Tok rieky Uatumã však poskytuje oveľa nižšiu priemernú ročnú výrobu energie, niekde okolo 112,2 MW, z čoho iba 64 MW možno považovať za pevnú energiu. Ak vezmeme do úvahy, že pri prenose elektriny zo závodu do spotrebiteľského centra existuje približne 2,5% strata, iba 109,4 MW (pevný výkon 62,4 MW). Hodnota hlboko pod nominálnou kapacitou 250 MW.

Itaipu

Vodná elektráreň v Itaipu je považovaná za druhú najväčšiu elektráreň na svete s inštalovaným výkonom 14 000 MW a na druhom mieste za roklinami Três Gorges v Číne s výkonom 18,2 tisíc MW. Postavený na rieke Paraná a umiestnený na hranici medzi Brazíliou a Paraguajom, je to dvojnárodný závod, pretože patrí do oboch krajín. Energia vyrobená spoločnosťou Itaipu, ktorá dodáva Brazílii, zodpovedá polovici jej celkového výkonu (7 000 MW), čo zodpovedá 16,8% energie spotrebovanej v Brazílii, a druhú polovicu energie využíva Paraguay a zodpovedá 75% Paraguajská spotreba energie.

Tucuruí

Závod Tucuruí bol postavený na rieke Tocantins v Pará a má inštalovaný výkon ekvivalentný 8 370 MW.

Belo Monte

Vodná elektráreň Belo Monte, ktorá sa nachádza v obci Altamira, juhozápadne od Pará a bola slávnostne otvorená prezidentkou Dilmou Roussefovou, bola postavená na rieke Xingu. Táto elektráreň je najväčšou vodnou elektrárňou so 100% štátnou účasťou a treťou najväčšou vodnou elektrárňou na svete. S inštalovaným výkonom 11 233,1 megawattov (MW). To znamená dostatok nákladu na obsluhu 60 miliónov ľudí v 17 štátoch, čo predstavuje asi 40% domácej spotreby v celej krajine. Ekvivalentná inštalovaná výrobná kapacita je 11 000 MW, čo je najväčší závod na inštalovaný výkon. v krajine, pričom miesto závodu v Tucuruí bolo považované za najväčší 100% národný závod. Belo Monte je tiež treťou najväčšou vodnou elektrárňou na svete, hneď za Três Gorges a Itaipu.

Mnoho vecí sa točí okolo výstavby závodu Belo Monte. Napriek tomu, že ide o inštalovaný výkon 11-tisíc MW, podľa ministerstva životného prostredia pevný výkon elektrárne zodpovedá 4,5-tisícu MW, teda iba 40% z celkového výkonu. Pretože je postavený v amazonskej oblasti, má Belo Monte potenciál vypúšťať veľké koncentrácie metánu a oxidu uhličitého. To všetko bez započítania veľkého vplyvu na životy tradičného obyvateľstva a veľkého vplyvu na faunu a flóru. Ďalším faktorom je, že z jeho výstavby majú úžitok hlavne spoločnosti, nie obyvateľstvo. Približne 80% elektrickej energie je určených pre spoločnosti v strede na juhu krajiny.

Uplatniteľnosť

Napriek uvedeným negatívnym sociálno-environmentálnym vplyvom má vodná energia v porovnaní s neobnoviteľnými zdrojmi energie, ako sú fosílne palivá, výhody. Aj napriek tomu, že vodné elektrárne prispievajú k emisiám metánu a oxidu siričitého, nevypúšťajú ani neuvoľňujú iné druhy toxických plynov, ako napríklad tie, ktoré vychádzajú z termoelektrických elektrární - sú veľmi škodlivé pre životné prostredie a zdravie ľudí.

Zjavnejšie sú však nevýhody vodných elektrární v porovnaní s inými obnoviteľnými zdrojmi energie, ako sú solárne a veterné elektrárne, ktoré majú znížený vplyv na životné prostredie v porovnaní s vplyvmi spôsobenými vodnými elektrárňami. Problémom stále zostáva životaschopnosť nových technológií. Alternatívou na zníženie vplyvov spojených s výrobou vodnej energie je výstavba malých vodných elektrární, ktoré si nevyžadujú výstavbu veľkých vodných nádrží.

Čo je to solárna energia, výhody a nevýhody
Čo je to veterná energia?

Priehrady majú navyše životnosť asi 30 rokov, čo spochybňuje ich dlhodobú životaschopnosť.

Štúdia „Udržateľná vodná energia v 21. storočí“, ktorú uskutočnila Michiganská štátna univerzita, upozorňuje na skutočnosť, že veľké vodné priehrady by sa mohli stať ešte menej udržateľným zdrojom energie v podmienkach zmeny klímy.

Je potrebné vziať do úvahy skutočné náklady na vodnú energiu, nielen ekonomické a infraštruktúrne náklady, ale aj sociálne, environmentálne a kultúrne náklady.